WO2020007425A1 - Electrolyte comprising a phospite as an additive or co-solvent, lithium rechargeable battery comprising said electrolyte, and method for producing the phosphite - Google Patents
Electrolyte comprising a phospite as an additive or co-solvent, lithium rechargeable battery comprising said electrolyte, and method for producing the phosphite Download PDFInfo
- Publication number
- WO2020007425A1 WO2020007425A1 PCT/DE2019/200071 DE2019200071W WO2020007425A1 WO 2020007425 A1 WO2020007425 A1 WO 2020007425A1 DE 2019200071 W DE2019200071 W DE 2019200071W WO 2020007425 A1 WO2020007425 A1 WO 2020007425A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- group
- electrolyte
- phosphite
- organic solvent
- lithium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
- H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
- H01M6/16—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
- H01M10/0566—Liquid materials
- H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0025—Organic electrolyte
- H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Definitions
- the invention relates to an electrolyte with a phosphite as an additive or co-solvent, a lithium secondary battery with this electrolyte and a method for producing the phosphite.
- the electrolytes because of their interaction with all other active and inactive materials used, have a key function in terms of performance, life and safety.
- the liquid electrolyte has a significant impact on a variety of chemical and technological aspects of a battery.
- the spectrum ranges from the conductivity - due to the dissolving power of the conductive salts - to the electrochemical stability, the usability, the flammability and the vapor pressure up to the film-forming properties of the electrolyte, the main effects on the so-called “Solid Electrolyte Interface” (SEI) formation at the anode or the “cathode Electrolyte Interface "(CEI) in training at the cathode.
- SEI Solid Electrolyte Interface
- the liquid electrolyte as the core component of each battery cell consists of a conductive salt, such as LiPF 6, and a mixture of selected linear and cyclic carbonates (generally referred to as the standard electrolyte).
- a major weak point of such electrolytes is the low oxidative stability and the high flammability (Xu, K. Chem. Rev. 2004, 104 (10), 4,303 - 4,418).
- Oxidative stability is a major problem, in particular, when higher final charge voltages are used due to the development of new cathode materials (5 V cathodes) and thus the energy density is increased (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503-11618).
- One approach to prevent the decomposition of the electrolyte at the cathode and the consequent decrease in capacity is the use of additives in electrolytes (usually in an amount of 0.1 to 5% by weight).
- the advantage of this approach is that the main structure of the electrolyte is preserved.
- the role of the additive is to form a protective layer (CEI) on the cathode and thus the electrolyte Z replacing the standard electrolyte to prevent or reduce (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503- 11618 ).
- CEI protective layer
- Power Sources 2016, 336 (Supplement C), 316- 324), as well as partially fluorinated organic compounds that additionally contain the following heteroatoms: nitrogen (see, for example, Wang, L .; Ma, Y .; Li, Q .; Zhou, Z .; Cheng, X .;
- Compounds which have phosphorus atoms in oxidation state III or V have proven to be effective flame retardants contain.
- Compounds with phosphorus atoms in oxidation state V can be divided into two subgroups: on the one hand, phosphates / phosphites, on the other hand phosphazenes, which in addition to several phosphorus atoms also contain several nitrogen atoms.
- fluorinated compounds can in principle reduce the flammability of the electrolyte better than non-fluorinated compounds.
- the flame chemistry of fluorinated compounds is complex and not yet fully understood, so the degree of fluorination does not allow any conclusions to be drawn about the flammability of individual compounds (Murmann, N. von Aspern, P. Janssen, N. Kalinovich, M. Shevchuk, G.- V. Röschenthaler, M. Winter, I. Cekic-Laskovic, J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A1935-A1942; P. Murmann, X.
- Li / Li + behaves similarly to the cyclic phosphates and that it is a fire retardant solvent (Narang, SC; Ventura, SC; Zhao, M.; Smedley, S .; Koolpe, G .; Dougherty, B. W097 / 44842 ).
- a co-solvent such as ethylene ethyl phosphate (EEP) which contains no fluorine atoms
- EEP ethylene ethyl phosphate
- the flammability of the electrolyte can be reduced by approximately 50% by adding 10% by weight.
- a protective film on the anode and cathode an improvement in the cyclization at a final charge voltage of 4.3 V vs. Li / Li + can be achieved compared to the standard electrolyte (Gao, D .; Xu, JB; Lin, M .; Xu, Q .; Ma, CF; Xiang, HF, RSC Adv. 2015, 5 (23), 17566-17571 ).
- the invention is therefore based on the object of further improving previously known electrolytes for lithium secondary batteries, in particular reducing the flammability and / or improving the performance of the batteries even in high-voltage applications.
- an electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least first and second organic solvents, the first organic solvent having a dielectric constant greater than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent having a boiling point below 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
- Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group, a tert-butoxy group, a ⁇ -pentafluoropropoxy group, an n-trifluoropropoxy group, an iso-hexafluoropropoxy group or a tert-nonafluorobutoxy group and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are independent are selected from each other from H, erner
- Trifluoromethyl group or a C 2 -C 6 alkyl group which is substituted with a trifluoromethyl group is substituted with a trifluoromethyl group.
- An n-propoxy group means the group H 3 C-CH 2 -CH 2 -0-
- an iso-propoxy group means the group [CH 3 ] 2 -CH- 0-
- a tert-butoxy group means the group [CH 3 ] 3 -C-0-
- under an n-pentafluoropropoxy group the group F 3 C-CF 2 -CH 2 -0-
- an n-trifluoropropoxy group the group F 3 C-CH 2 -CH 2 -0-
- an iso-hexafluoropropoxy group the group [CF 3 ] 2 -CH-0-
- under a tert-nonafluorobutoxy group the group [CF 3 ] 3 -C- 0-.
- the electrolytes according to the invention have a significantly reduced flammability.
- the reduced flammability can be achieved in particular by substituting the phosphite ring with trifluoromethylethylene groups, as has been achieved, for example, in the compound PFPOEPi-ICF 3 .
- a substance is considered combustible if it has a burning time of> 20 s / g. With a burning time between 6 and 20 s / g one speaks of flame retardancy, ⁇ 6 s / g of non-
- a "normal range” can be understood to mean a cut-off voltage of up to 4.2 V and a “high-voltage range” means voltages above 4.2 V, in particular a voltage of 4.5 V.
- An “improved cyclization behavior”, “advantageous cyclization behavior” or “positive cyclization behavior” is understood to mean a comparatively higher preservation of a capacity of a cell with the same number of charge and discharge cycles.
- the electrolytes according to the invention show improved cyclability. This applies in particular to the use of additives in which R x is an aliphatic unsubstituted group and to cyclizations above 4.2 V. Until now, the use of phosphites with the structures shown or dioxaphospholanes in the high-voltage range (above 4.2 V) was not yet known.
- Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group or a tert-butoxy group.
- Ri is a tert-butoxy group.
- Ri is an n-pentafluoropropoxy group.
- R2 is a trifluoromethyl group and R 3 , R 4 and R 5 H.
- R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are H.
- the at least one phosphite is present in a proportion of 0.1 to 15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
- the invention further relates to the use of an electrolyte in a lithium secondary battery at a voltage greater than 4.2 V, the electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least a first and a second organic solvent, the first organic solvent having a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent having a boiling point of less than 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
- Ri is a fully or partially halogen-substituted, linear or branched C2-C20-alkyl group and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are selected independently of one another from H or an unsubstituted or fully or partially halogen-substituted, linear or branched Ci-C2o _ Alkyl group.
- the invention also relates to a lithium
- Secondary battery comprising a cathode; an anode; a separator; and the electrolyte according to one of claims 1 to 7.
- the proportion of phosphite in the electrolyte is preferably 0.1 to 15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
- the at least one phosphite is preferably present in a proportion of 1-30% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
- the lithium salt is preferably selected from the group consisting of lithium perchlorate (LiCICy), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsFe), lithium trifluorometasulfonate (LZCF 3 SO 3 ), lithium bis-tronifluoromethyl LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis (oxalato) borate (LiB [C 2 O 4 ] 2 ), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 0 4 ), lithium nitrate (LiNCg), lithium tri-perfluoroethyl perfluorophosphate (LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 ), lithium bis-perfluoroethylsulfonylimide (C 4 FioLiN0 4 S 2 ), lithium bis (trifluoromethanesulfon
- the first organic solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, polypropylene carbonate, butylene carbonate, 2, 3-butylene carbonate, isobutylene carbonate, propoylene carbonate, g-butyrolactone and mixtures thereof.
- the second organic solvent is selected from the group consisting of dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, aliphatic ester derivatives and mixtures thereof.
- the first organic solvent and the second organic solvent are preferably present in a ratio of 5: 1 to 1: 5, more preferably 2: 1 to 1: 2, particularly preferably 1: 1.
- the invention further relates to a lithium secondary battery comprising a cathode; an anode; a separator; and the electrolyte according to the invention.
- secondary battery in the context of this invention is understood to include any rechargeable electrical storage.
- the lithium secondary battery is made of a material selected from the group consisting of lithium metal, graphite, silicon and alkali or alkaline earth metals.
- the proportion of phosphite in the organic electrolyte is 1-5% by weight, based on the total weight of the organic solvents. In this case, the phosphite according to the invention is used as an additive.
- the proportion of phosphite in the organic electrolyte is 10-30% by weight, based on the total weight of the organic solvents. In this case, the phosphite according to the invention therefore serves as a co-solvent.
- the invention further relates to a process for the preparation of a phosphite of the formula (I), in which in a one-pot reaction in a first step a phosphorus (111) halide, preferably phosphorus (III) chloride, with a vicinal diol in the presence a base, preferably triethylamine, is reacted to give a 2-halo-1,3-dioxaphospholane, and then in a second step esterification with an alcohol in the presence of a base, preferably triethylamine, takes place to give a phosphite of the formula ( I) to yield.
- a phosphorus (111) halide preferably phosphorus (III) chloride
- base preferably triethylamine
- the synthesis process according to the invention for the phosphites used in the electrolyte according to the invention is based on a phosphorus (III) halide (preferably PCI 3) and a vicinal diol in the presence of a base such as pyridine or Triethylamine in THF as the preferred solvent.
- a base such as pyridine or Triethylamine in THF as the preferred solvent.
- the resulting 2-halogenated 1,3-dioxaphsopholane is esterified in a second step of the one-pot synthesis with an alcohol in the presence of base, preferably triethylamine in THF.
- the battery can be improved by selecting a high concentration (10-15% by weight) of the phosphite.
- the flammability of the electrolyte can be completely suppressed.
- Standard electrolytes can be improved. This results in a longer-lasting and safer battery.
- the phosphite (I) is substituted with a trimethylsilyl group.
- the cyclization can be improved by adding a trimethylsilyl-substituted compound. Without wishing to be limited by theory, it is assumed that the trimethylsilyl group intercepts hydrogen fluoride formed as an intermediate and thereby avoids damage to the battery which otherwise occurs.
- the invention further relates to the use of PFPOEPi-lCF3 in an electrolyte at 0.1 V up to 4.2 V.
- the invention also relates to the use of an electrolyte in a lithium secondary battery at a voltage of 4.2 V or less than 4.2 V, the electrolyte comprising:
- At least one lithium salt at least one lithium salt; at least a first and a second organic compound
- Solvents wherein the first organic solvent has a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent one
- R 3 , R 4 and R 5 are H.
- Fig. 1 is a diagram with the results of a SET (Self-Extinguishing Time) test of an electrolyte with IM LiPF 6 in ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (1: 1).
- 500 m ⁇ of the electrolyte to be examined were applied to a glass fiber filter GF / C (Whatman Separator) (0 25 mm). This was placed in the measuring device and then the “self-extinguishing time” was determined with the aid of a UV-Vis detector.
- an electrolyte with IM LiPF 6 in ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (1: 1) was used in one case without the addition of phosphite, in the other case with the addition of the stated amount Phosphite (% by weight) in graphite / NCMlll cells at a given voltage vs. Li / Li + tested.
- a microporous ceramic-coated film (available under the brand name Separion from Evonik Industries AG) was used as the separator. The cells were formed with a C rate of 0. IC and a subsequent C rate of 0.5C for 3 cycles each at the voltage described below.
- the C rate describes the charge (or discharge) current of a battery, based on the capacity C.
- a constant voltage step of 3 hours is integrated in each of the formation cycles.
- the cells were then cycled at a C rate of IC.
- the results of measurements at 4.5 V are shown in Table 1.
- the "Electrolyte additive” header indicates the percentage of a phosphite in% by weight that was added as an additive to the electrolyte used, "80% SOH” the 80% capacity retention of the 130th cycle in percent on (the respective cycle achieved is in brackets), “Efficiency [%]” indicates the first cycle efficiency in percent and “Retention [%]” indicates the capacity retention in percent after 100 cycles.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
The invention relates to an electrolyte, comprising: at least one lithium salt; at least one first and one second organic solvent, the first organic solvent having a dielectric constant of more than 90 (at 40°C), and the second organic solvent having a boiling point of below 110°C; and at least one phosphite of formula (I), where R1 is a n-propoxy group, an iso-propoxy group, a tert-butoxy group, an n-pentafluoropropoxy group, an n-trifluoropropoxy group, an iso-hexafluoropropoxy group, or a tert-nonafluorobutoxy group, and R2, R3, R4 and R independently of one another, are selected from among H, a trifluoromethyl group, or a C2-C6-alkyl group which is substituted by a trifluoromethyl group. The invention also relates to the use of an electrolyte comprising a phosphite of formula (I), and to a lithium rechargeable battery comprising said electrolyte.
Description
Elektrolyt mit einem Phosphit als Additiv oder Co-Lösemittel, Lithium-Sekundärbatterie mit diesem Elektrolyten und Verfahren zur Herstellung des Phosphits Electrolyte with a phosphite as an additive or co-solvent, lithium secondary battery with this electrolyte and process for producing the phosphite
Gebiet der Erfindung Field of the Invention
[01] Die Erfindung betrifft einen Elektrolyten mit einem Phosphit als Additiv oder Co-Lösemittel , eine Lithium- Sekundärbatterie mit diesem Elektrolyten sowie ein Verfahren zur Herstellung des Phosphits. The invention relates to an electrolyte with a phosphite as an additive or co-solvent, a lithium secondary battery with this electrolyte and a method for producing the phosphite.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
[02] Zur Realisierung der effizienten Nutzung von erneuerbaren Energien und für den Einsatz in der Elektromobilität hat die Wichtigkeit von Batterien als Energiequelle und Speichermedium in den letzten Jahren stark zugenommen. Um die angestrebten Ziele erreichen zu können, müssen die Batterien aber fortlaufend verbessert werden. [02] In order to realize the efficient use of renewable energies and for use in electromobility, the importance of batteries as an energy source and storage medium has increased significantly in recent years. However, in order to be able to achieve the desired goals, the batteries must be continuously improved.
[03] In allen Arten von gegenwärtigen wie zukünftigen Lithium-, Lithium-Ionen- und Dual-Ionen-Batterien haben die Elektrolyte aufgrund ihrer Wechselwirkung mit allen übrigen eingesetzten Aktiv- und Inaktivmaterialien eine zentrale Schlüsselfunktion im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit. Der flüssige Elektrolyt hat einen signifikanten Einfluss auf eine Vielzahl von chemischen und technologischen Aspekten einer Batterie. Das Spektrum reicht von der Leitfähigkeit - aufgrund des Lösungsvermögens der Leitsalze - über die elektrochemische Stabilität, die Benutzbarkeit, die Entflammbarkeit und den Dampfdruck bis hin zu den filmbildenden Eigenschaften des Elektrolyten, die wesentliche Auswirkungen auf die sogenannte „Solid Electrolyte Interface" (SEI) bei der Bildung an der Anode bzw. die „Cathode
Electrolyte Interface" (CEI) bei der Ausbildung an der Kathode aufweist . [03] In all types of current and future lithium, lithium-ion and dual-ion batteries, the electrolytes, because of their interaction with all other active and inactive materials used, have a key function in terms of performance, life and safety. The liquid electrolyte has a significant impact on a variety of chemical and technological aspects of a battery. The spectrum ranges from the conductivity - due to the dissolving power of the conductive salts - to the electrochemical stability, the usability, the flammability and the vapor pressure up to the film-forming properties of the electrolyte, the main effects on the so-called "Solid Electrolyte Interface" (SEI) formation at the anode or the “cathode Electrolyte Interface "(CEI) in training at the cathode.
[04] Der flüssige Elektrolyt als Kernbestandteil jeder Batteriezelle besteht aus einem Leitsalz, wie zum Beispiel LiPF6 und einem Gemisch aus ausgewählten linearen und zyklischen Carbonaten (im Allgemeinen als Standardelektrolyt bezeichnet) . [04] The liquid electrolyte as the core component of each battery cell consists of a conductive salt, such as LiPF 6, and a mixture of selected linear and cyclic carbonates (generally referred to as the standard electrolyte).
[05] Eine große Schwachstelle solcher Elektrolyten ist die geringe oxidative Stabilität und die hohe Brennbarkeit (Xu, K. Chem. Rev. 2004, 104 (10), 4.303 - 4.418). [05] A major weak point of such electrolytes is the low oxidative stability and the high flammability (Xu, K. Chem. Rev. 2004, 104 (10), 4,303 - 4,418).
[06] Die oxidative Stabilität stellt insbesondere dann ein großes Problem dar, wenn durch die Entwicklung neuer Kathodenmaterialien (5 V-Kathoden) höhere Ladeschlussspan nungen verwendet werden und somit die Energiedichte erhöht wird (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503-11618). [06] Oxidative stability is a major problem, in particular, when higher final charge voltages are used due to the development of new cathode materials (5 V cathodes) and thus the energy density is increased (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503-11618).
[07] Bei der Verwendung einer Ladeschlussspannung über 4,3 V gegen eine Lithiumreferenz (Li/Li+) kommt es zu einer oxidativen Zersetzung des Carbonat-basierten Elektrolyten an der Kathode, was eine verstärkte Kapazitätsabnahme zur Folge hat und somit die Lebensdauer der Batterie verringert. [07] When using a final charge voltage above 4.3 V against a lithium reference (Li / Li + ), there is an oxidative decomposition of the carbonate-based electrolyte at the cathode, which results in an increased decrease in capacity and thus the life of the battery reduced.
[08] Ein Ansatz, um die Zersetzung des Elektrolyten an der Kathode und die daraus folgende Kapazitätsabnahme zu verhindern, ist der Einsatz von Additiven in Elektrolyten (üblicherweise in einer Menge von 0,1 bis 5 Gew. -%) . Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Hauptstruktur des Elektrolyten erhalten bleibt. Die Rolle des Additivs ist, eine Schutzschicht (CEI) auf der Kathode zu bilden und somit die ElektrolytZersetzung des Standardelektrolyten zu verhindern bzw. zu vermindern (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503- 11618) .
[09] Aus dem Stand der Technik sind hierfür eine ganze Reihe unterschiedlicher Additive bekannt. Zum einen sind dies teilweise fluorierte organische Verbindungen, die außer Fluor keine Heteroatome enthalten (Zheng, X.; Huang, T.; Pan, Y.; Wang, W.; Fang, G.; Ding, K.; Wu, M., ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (22), 18758-18765; Kim, S.; Kim, M. ; Choi, I.; Kim, J. J., J. Power Sources 2016, 336 (Supplement C) , 316-324), sowie teilweise fluorierte organische Verbindungen, die zusätzlich folgende Heteroatome enthalten: Stickstoff (siehe z.B. Wang, L.; Ma, Y.; Li, Q.; Zhou, Z.; Cheng, X.;[08] One approach to prevent the decomposition of the electrolyte at the cathode and the consequent decrease in capacity is the use of additives in electrolytes (usually in an amount of 0.1 to 5% by weight). The advantage of this approach is that the main structure of the electrolyte is preserved. The role of the additive is to form a protective layer (CEI) on the cathode and thus the electrolyte Z replacing the standard electrolyte to prevent or reduce (Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503- 11618 ). [09] A whole series of different additives are known for this from the prior art. On the one hand, these are partially fluorinated organic compounds that contain no heteroatoms apart from fluorine (Zheng, X .; Huang, T .; Pan, Y .; Wang, W .; Fang, G .; Ding, K .; Wu, M. , ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (22), 18758-18765; Kim, S .; Kim, M.; Choi, I .; Kim, JJ, J. Power Sources 2016, 336 (Supplement C), 316- 324), as well as partially fluorinated organic compounds that additionally contain the following heteroatoms: nitrogen (see, for example, Wang, L .; Ma, Y .; Li, Q .; Zhou, Z .; Cheng, X .;
Zuo, P.; Du, C.; Gao, Y.; Yin, G., J. Power Sources 2017, 361 (Supplement C) , 227-236), Phosphor (siehe z.B. von Aspern, N.;Zuo, P .; Du, C .; Gao, Y .; Yin, G., J. Power Sources 2017, 361 (Supplement C), 227-236), phosphorus (see e.g. from Aspern, N .;
Röser, S.; Rezaei Rad, B.; Murmann, P.; Streipert, B.;Röser, S .; Rezaei Rad, B .; Murmann, P .; Streipert, B .;
Mönnighoff, X.; Tillmann, S. D.; Shevchuk, M. ; Stubbmann-Mönnighoff, X .; Tillmann, S. D .; Shevchuk, M.; Stubbmann-
Kazakova, 0.; Röschenthaler, G.-V.; Nowak, S.; Winter, M. ;Kazakova, 0 .; Röschenthaler, G.-V .; Nowak, S .; Winter, M.;
Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017, 198 (Supplement C) ,Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017, 198 (Supplement C),
24-33; Tornheim, A. ; He, M. ; Su, C.-C.; Zhang, Z., J.24-33; Tornheim, A.; He, M.; Su, C.-C .; Zhang, Z., J.
Electrochem. Soc. 2017, 164 (1), A6366-A6372; Wagner, R.;Electrochem. Soc. 2017, 164 (1), A6366-A6372; Wagner, R .;
Korth, M. ; Streipert, B.; Kasnatscheew, J.; Gallus, D. R.;Korth, M.; Streipert, B .; Kasnatscheew, J .; Gallus, D. R .;
Brox, S.; Amereller, M. ; Cekic-Laskovic, I.; Winter, M., ACS Applied Materials & Interfaces 2016, 8 (45), 30871-30878),Brox, S .; Amereller, M.; Cekic-Laskovic, I .; Winter, M., ACS Applied Materials & Interfaces 2016, 8 (45), 30871-30878),
Schwefel (siehe z.B. Rong, H.; Xu, M. ; Zhu, Y.; Xie, B.; Lin, H.; Liao, Y.; Xing, L.; Li, W., J. Power Sources 2016, 332Sulfur (see e.g. Rong, H .; Xu, M.; Zhu, Y .; Xie, B .; Lin, H .; Liao, Y .; Xing, L .; Li, W., J. Power Sources 2016, 332
(Supplement C) , 312-321) ; Bor (siehe z.B. Wang, K.; Xing, L.; Zhu, Y.; Zheng, X.; Cai, D.; Li, W., J. Power Sources 2017, 342 (Supplement C) , 677-684) ; Silicium (siehe z.B. Wang, K.;(Supplement C), 312-321); Boron (see e.g. Wang, K .; Xing, L .; Zhu, Y .; Zheng, X .; Cai, D .; Li, W., J. Power Sources 2017, 342 (Supplement C), 677-684) ; Silicon (see e.g. Wang, K .;
Xing, L.; Zhu, Y.; Zheng, X.; Cai, D.; Li, W., J. Power Sources 2017, 342 (Supplement C) , 677-684 ; Imholt, L.; Röser,Xing, L .; Zhu, Y .; Zheng, X .; Cai, D .; Li, W., J. Power Sources 2017, 342 (Supplement C), 677-684; Imholt, L .; Roeser,
S.; Börner, M. ; Streipert, B.; Rad, B. R.; Winter, M. ; Cekic- Laskovic, I., Electrochim. Acta 2017, 235 (Supplement C) , 332-S .; Börner, M.; Streipert, B .; Rad, B. R .; Winter, M.; Cekic-Laskovic, I., Electrochim. Acta 2017, 235 (Supplement C), 332-
339) . 339).
[10] Darüber hinaus wurden auch Organometall-basierte (Imholt,[10] Organometallic (Imholt,
L.; Röser, S.; Börner, M. ; Streipert, B.; Rad, B. R.; Winter,L .; Röser, S .; Börner, M.; Streipert, B .; Rad, B. R .; Winter,
M. ; Cekic-Laskovic, I., Electrochim. Acta 2017, 235
(Supplement C) , 332-339) und Lithiumsalz-basierte (siehe z.B. Dong, Y.; Young, B. T.; Zhang, Y.; Yoon, T.; Heskett, D. R.; Hu, Y.; Lucht, B. L., ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (24), 20467-20475) Elektrolyt-Additive vorgeschlagen. M.; Cekic-Laskovic, I., Electrochim. Acta 2017, 235 (Supplement C), 332-339) and lithium salt-based (see e.g. Dong, Y .; Young, BT; Zhang, Y .; Yoon, T .; Heskett, DR; Hu, Y .; Lucht, BL, ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (24), 20467-20475) Electrolyte additives proposed.
[11] Durch die Zugabe dieser Additive zum Standardelektrolyten kann die Kapazitätsabnahme verringert, jedoch nicht komplett verhindert werden. Alle diese Additive zersetzen sich bei der Oxidation an der Kathode vor dem Standardelektrolyten und bilden eine effektive CEI aus. Durch diese CEI kann die weitere ElektrolytZersetzung verhindert, der Innenwiderstand verringert, die strukturelle Stabilität der Kathode verbessert, die Bildung von Gasen und die Metallauflösung der in der Kathode befindlichen Metalle verhindert und die Ionenmischung von Li+- und Ni2+-Ionen in der Kathode aufgrund ähnlich großer Ionenradien minimiert werden. [11] By adding these additives to the standard electrolyte, the decrease in capacity can be reduced but not completely prevented. All of these additives decompose on oxidation at the cathode in front of the standard electrolyte and form an effective CEI. By this CEI, the more electrolyte Z substitution prevents the internal resistance is reduced, improving the structural stability of the cathode, inhibits the formation of gases and the metal dissolution of the metals contained in the cathode and the ion mixture of Li + - and Ni 2+ ions in the cathode can be minimized due to similarly large ion radii.
[12] Neben der oxidativen Zersetzung bei hohen Ladeschlussspannungen stellt der Sicherheitsaspekt, insbesondere die Brennbarkeit, eines Carbonat-basierten Elektrolyten ein wichtiges Problem dar. Die üblicherweise verwendeten linearen und zyklischen Carbonate sind leicht entzündlich; es gibt immer wieder Berichte über die Entstehung von Batteriebränden, wie z.B. beim Samsung Galaxy Note 7 im Jahre 2016. Aus diesem Grunde ist es wichtig, im Hinblick auf die Brennbarkeit sicherere Batterien zu entwickeln. [12] In addition to the oxidative decomposition at high final charge voltages, the safety aspect, in particular the flammability, of an carbonate-based electrolyte is an important problem. The linear and cyclic carbonates which are usually used are highly flammable; there are always reports of the occurrence of battery fires, such as on the Samsung Galaxy Note 7 in 2016. For this reason, it is important to develop safer batteries with regard to flammability.
[13] Neben der Entwicklung von neuen Lösemitteln für Elektrolyte ist es möglich, Flammschutzmittel als Additive (<5 Gew.-%) oder Co-Lösemittel (>5 Gew.-%) zum Standardelektrolyten zuzugeben (Xu, K., Chem. Rev. 2004, 104 (10), 4303-4418; Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503- 11618) . Auch bei diesem Ansatz wird die Hauptstruktur des Elektrolyten nicht verändert. [13] In addition to the development of new solvents for electrolytes, it is possible to add flame retardants as additives (<5% by weight) or co-solvents (> 5% by weight) to the standard electrolyte (Xu, K., Chem. Rev . 2004, 104 (10), 4303-4418; Xu, K., Chem. Rev. 2014, 114 (23), 11503-111618). With this approach, too, the main structure of the electrolyte is not changed.
[14] Als effektive Flammschutzmittel haben sich Verbindungen bewährt, die Phosphoratome in der Oxidationsstufe III oder V
enthalten. Verbindungen mit Phosphoratomen in der Oxidationsstufe V können in zwei Untergruppen aufgeteilt werden: zum einen Phosphate/Phosphite, zum anderen Phosphazene, die neben mehreren Phosphoratomen auch noch mehrere Stickstoffatome enthalten. [14] Compounds which have phosphorus atoms in oxidation state III or V have proven to be effective flame retardants contain. Compounds with phosphorus atoms in oxidation state V can be divided into two subgroups: on the one hand, phosphates / phosphites, on the other hand phosphazenes, which in addition to several phosphorus atoms also contain several nitrogen atoms.
[15] Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von Phosphiten (Oxidationsstufe III) und Phosphaten (Oxidationsstufe V) als Flammschutzmittel ein hoher Anteil (>20 Gew.-%) erforderlich ist, um einen nicht-brennbaren Elektrolyten zu erhalten (siehe z.B. von Aspern, N.; Röser, S.; Rezaei Rad, B.; Murmann, P.; Streipert, B.; Mönnighoff, X.; Tillmann, S. D.; Shevchuk, M. ; Stubbmann-Kazakova, 0.; Röschenthaler, G.-V.; Nowak, S.; Winter, M. ; Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017, 198 (Supplement C) , 24-33; Murmann, P.; Mönnighoff, X.; von Aspern, N.; Janssen, P.; Kalinovich, N.; Shevchuk, M. ; Kazakova, 0.; Röschenthaler, G.-H.; Cekic- Laskovic, I.; Winter, M., J. Electrochem. Soc. 2016, 163 (5), A751-A757). Der hohe Anteil an Flammschutzmittel beeinflusst jedoch die Zyklisierung (Leistungsfähigkeit und Lebensdauer) der Batterie im negativen Sinne verglichen mit dem Standardelektrolyten. Dies liegt in erster Linie an der Inkompatibilität der verwendeten Flammschutzmittel gegenüber der graphitischen Anode. [15] It has been shown that the use of phosphites (oxidation level III) and phosphates (oxidation level V) as flame retardants requires a high proportion (> 20% by weight) in order to obtain a non-combustible electrolyte (see e.g. from Aspern, N .; Röser, S .; Rezaei Rad, B .; Murmann, P .; Streipert, B .; Mönnighoff, X .; Tillmann, SD; Shevchuk, M.; Stubbmann-Kazakova, 0 .; Röschenthaler , G.-V .; Nowak, S .; Winter, M.; Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017, 198 (Supplement C), 24-33; Murmann, P .; Mönnighoff, X .; von Aspern, N .; Janssen, P .; Kalinovich, N .; Shevchuk, M.; Kazakova, 0 .; Röschenthaler, G.-H .; Cekic-Laskovic, I .; Winter, M., J. Electrochem. Soc. 2016, 163 (5), A751-A757). However, the high proportion of flame retardants affects the cyclization (performance and service life) of the battery in a negative sense compared to the standard electrolyte. This is primarily due to the incompatibility of the flame retardants used with the graphitic anode.
[16] Um die Inkompatibilität dieser Flammschutzmittel gegenüber der graphitischen Anode zu verbessern, hat sich der Ersatz der Wasserstoffatome durch Fluoratome als ein effektiver Ansatz erwiesen. Durch diesen Ansatz konnte die Zyklisierung, und damit die Lebensdauer, der Batterie gegenüber dem nicht- fluorierten Co-Lösemittel deutlich verbessert werden. Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Standardelektrolyten konnte jedoch nicht erreicht werden (Murmann, P.; Mönnighoff, X.; von Aspern, N.; Janssen, P.; Kalinovich, N.; Shevchuk, M. ; Kazakova, 0.; Röschenthaler, G.-H.; Cekic-Laskovic, I.; Winter, M., J. Electrochem. Soc. 2016, 163 (5), A751-A757;
Mönnighoff, X.; Murmann, P.; Weber, W.; Winter, M. ; Nowak, S., Electrochim. Acta 2017, 246 (Supplement C) , 1042-1051). [16] In order to improve the incompatibility of these flame retardants with the graphitic anode, the replacement of the hydrogen atoms with fluorine atoms has proven to be an effective approach. This approach significantly improved the cyclization and thus the service life of the battery compared to the non-fluorinated co-solvent. However, the performance and lifespan of the standard electrolytes could not be achieved (Murmann, P .; Mönnighoff, X .; von Aspern, N .; Janssen, P .; Kalinovich, N .; Shevchuk, M.; Kazakova, 0 .; Röschenthaler, G.-H .; Cekic-Laskovic, I .; Winter, M., J. Electrochem. Soc. 2016, 163 (5), A751-A757; Mönnighoff, X .; Murmann, P .; Weber, W .; Winter, M.; Nowak, S., Electrochim. Acta 2017, 246 (Supplement C), 1042-1051).
[17] Ein weiterer Vorteil der Einführung von Fluoratomen ist, dass diese auch einen Einfluss auf die Brennbarkeit haben, das heißt, dass fluorierte Verbindungen die Brennbarkeit des Elektrolyten prinzipiell besser als nicht-fluorierten Verbindungen reduzieren können. Allerdings ist die Flammchemie fluorierter Verbindungen komplex und noch nicht vollständig verstanden, der Grad der Fluorierung lässt daher keine Rückschlüsse über die Entflammbarkeit einzelner Verbindungen zu (Murmann, N. von Aspern, P. Janssen, N. Kalinovich, M. Shevchuk, G.-V. Röschenthaler, M. Winter, I. Cekic-Laskovic, J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A1935-A1942; P. Murmann, X. Mönninghoff, N. von Aspern, P. Janssen, N. Kalinovich, M. Shevchuk, 0. Kazakova, G.-V. Röschenthaler, I. Cekic-Laskovic, M. Winter, J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A715-A757). [17] Another advantage of introducing fluorine atoms is that they also have an influence on the flammability, which means that fluorinated compounds can in principle reduce the flammability of the electrolyte better than non-fluorinated compounds. However, the flame chemistry of fluorinated compounds is complex and not yet fully understood, so the degree of fluorination does not allow any conclusions to be drawn about the flammability of individual compounds (Murmann, N. von Aspern, P. Janssen, N. Kalinovich, M. Shevchuk, G.- V. Röschenthaler, M. Winter, I. Cekic-Laskovic, J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A1935-A1942; P. Murmann, X. Mönninghoff, N. von Aspern, P. Janssen, N. Kalinovich, M Shevchuk, 0. Kazakova, G.-V. Röschenthaler, I. Cekic-Laskovic, M. Winter, J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A715-A757).
[18] Durch die Verwendung von Phosphazenen als Flammschutzmittel kann der Anteil (5 Gew.-%) drastisch reduziert werden, um ein nicht-brennbaren flüssigen Elektrolyten zu erhalten, wobei sich kein negativer Einfluss auf die Zyklisierung zeigt. Des Weiteren können diese Additive auch für Hochvoltanwendungen verwendet werden, da sie eine effektive CEI ausbilden (Ji, Y.; Zhang, P.; Lin, M. ; Zhao, W.; Zhang, Z.; Zhao, Y.; Yang, Y., J. Power Sources 2017, 359 (Supplement C) , 391-399; Xia, L.; Xia, Y.; Liu, Z., J. Power Sources 2015, 278 (Supplement C) , 190-196). [18] By using phosphazenes as flame retardants, the proportion (5% by weight) can be drastically reduced in order to obtain a non-combustible liquid electrolyte, with no negative influence on the cyclization. Furthermore, these additives can also be used for high-voltage applications because they form an effective CEI (Ji, Y .; Zhang, P .; Lin, M.; Zhao, W .; Zhang, Z .; Zhao, Y .; Yang, Y., J. Power Sources 2017, 359 (Supplement C), 391-399; Xia, L .; Xia, Y .; Liu, Z., J. Power Sources 2015, 278 (Supplement C), 190-196) ,
[19] Diese bifunktionelle Anwendung ist für Phosphite und Phosphate nicht bekannt. Es konnte aber schon gezeigt werden, dass durch die Variation des Anteils der Phosphite/Phosphate im Standardelektrolyten unterschiedliche Anwendungen realisiert werden können. Bei einem geringen Anteil (1 Gew.-%) können die Phosphite/Phosphate als Hochvoltadditive eingesetzt werden, bei einem hohen Anteil (> 20 Gew.-%) dienen sie als
Flammschutzmittel (von Aspern, N.; Röser, S.; Rezaei Rad, B.; Murmann, P.; Streipert, B.; Mönnighoff, X.; Tillmann, S. D.; Shevchuk, M. ; Stubbmann-Kazakova, 0.; Röschenthaler, G.-V.; Nowak, S.; Winter, M. ; Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017 , 198 (Supplement C) , 24-33) . Bei dieser Arbeit wurden jedoch keine elektrochemischen Messungen für den hohen Phosphit/Phosphatanteil durchgeführt, sodass keine Aussage bezüglich der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien getroffen werden kann. [19] This bifunctional application is not known for phosphites and phosphates. However, it has already been shown that by varying the proportion of phosphites / phosphates in the standard electrolyte, different applications can be realized. With a small proportion (1% by weight), the phosphites / phosphates can be used as high-voltage additives, with a high proportion (> 20% by weight) they serve as Flame retardants (von Aspern, N .; Röser, S .; Rezaei Rad, B .; Murmann, P .; Streipert, B .; Mönnighoff, X .; Tillmann, SD; Shevchuk, M.; Stubbmann-Kazakova, 0 .; Röschenthaler, G.-V .; Nowak, S .; Winter, M.; Cekic-Laskovic, I., J. Fluor. Chem. 2017, 198 (Supplement C), 24-33). However, no electrochemical measurements for the high phosphite / phosphate content were carried out in this work, so that no statement can be made regarding the performance and service life of the batteries.
[20] Bei den Untersuchungen des Standardelektrolyten nach elektrochemischer Alterung wurden unterschiedliche Phospholane mit der Oxidationsstufe V als Zersetzungsprodukte beobachtet (Takeda, S.; Morimura, W.; Liu, Y.-H.; Sakai, T.; Saito, Y., Rapid Commun. Mass Spectrom. 2016, 30 (15), 1754-1762; Weber, W.; Kraft, V.; Grützke, M. ; Wagner, R.; Winter, M. ; Nowak, S., J. Chromatogr . A 2015, 1394 (Supplement C) , 128-136) . Um den Einfluss dieser Zersetzungsprodukte auf den Standardelektrolyten zu untersuchen, wurden Phospholane als Lösemittel, Co-Lösemittel oder Additive untersucht und zeigten einen positiven Einfluss auf die allgemeine elektrochemische Leistungsfähigkeit der Batterie. Bei der Verwendung als Lösemittel zusammen mit Ethylencarbonat (EC) wurden Phospholane mit der Oxidationsstufe III und V untersucht, wobei die Endgruppe der Alkylgruppe 0 bis 3 Fluoratome aufweisen kann. Für dieses System wurde postuliert, dass es sich in Li/LMO-Zellen mit einer Ladeschlussspannung von 4,2 V vs. Li/Li+ ähnlich wie die zyklischen Phosphate verhält und dass es sich um ein feuerhemmendes Lösemittel handelt (Narang, S. C.; Ventura, S. C.; Zhao, M. ; Smedley, S.; Koolpe, G.; Dougherty, B. W097/44842). [20] In the investigations of the standard electrolyte after electrochemical aging, different phospholanes with oxidation level V were observed as decomposition products (Takeda, S .; Morimura, W .; Liu, Y.-H .; Sakai, T .; Saito, Y., Rapid Commun. Mass Spectrom. 2016, 30 (15), 1754-1762; Weber, W .; Kraft, V .; Grützke, M.; Wagner, R .; Winter, M.; Nowak, S., J. Chromatogr A 2015, 1394 (Supplement C), 128-136). In order to investigate the influence of these decomposition products on the standard electrolytes, phospholanes as solvents, co-solvents or additives were examined and showed a positive influence on the general electrochemical performance of the battery. When used as a solvent together with ethylene carbonate (EC), phospholanes with oxidation levels III and V were investigated, the end group of the alkyl group having 0 to 3 fluorine atoms. This system was postulated to be in Li / LMO cells with a final charge voltage of 4.2 V vs. Li / Li + behaves similarly to the cyclic phosphates and that it is a fire retardant solvent (Narang, SC; Ventura, SC; Zhao, M.; Smedley, S .; Koolpe, G .; Dougherty, B. W097 / 44842 ).
[21] Bei der Verwendung eines Co-Lösemittels , wie z.B. Ethylenethylphosphat (EEP) , das keine Fluoratome enthält, kann durch die Zugabe von 10 Gew.-% die Brennbarkeit des Elektrolyten um ca. 50 % reduziert werden. Des Weiteren kann
durch die Ausbildung eines Schutzfilms auf der Anode und Kathode eine Verbesserung der Zyklisierung bei einer Ladeschlussspannung von 4,3 V vs . Li/Li+ gegenüber dem Standardelektrolyten erzielt werden (Gao, D.; Xu, J. B.; Lin, M.; Xu, Q.; Ma, C. F.; Xiang, H. F., RSC Adv. 2015, 5 (23), 17566-17571) . When using a co-solvent, such as ethylene ethyl phosphate (EEP), which contains no fluorine atoms, the flammability of the electrolyte can be reduced by approximately 50% by adding 10% by weight. Furthermore, by the formation of a protective film on the anode and cathode, an improvement in the cyclization at a final charge voltage of 4.3 V vs. Li / Li + can be achieved compared to the standard electrolyte (Gao, D .; Xu, JB; Lin, M .; Xu, Q .; Ma, CF; Xiang, HF, RSC Adv. 2015, 5 (23), 17566-17571 ).
[22] Auch weitere Phospholane mit der Oxidationsstufe III wurden als Co-Lösemittel bzw. Additive untersucht. Dabei wurde die Länge und der Fluorierungsgrad der Alkylgruppe variiert sowie der Ring durch ein oder zwei Alkylketten substituiert, wobei auch hier die Länge und der Fluorierungsgrad variiert wurden. Hierbei konnte eine ca. 30%-ige Abnahme der Brennbarkeit gegenüber dem Standardelektrolyten gezeigt werden, bei einer Zugabe von 30 Gew.-% des Phospholans. Bei der galvanostatischen Zyklisierung einer Halbzelle bei 0.001 V bis 1.5 V zeigten die Zellen, die ein Phospholan als Co- Lösemittel enthielten, ein gutes Lade- und Entladeprofil. Allerdings liegen die erreichten Kapazitäten immer noch deutlich unter dem des Standardelektrolyten. Bei der Verwendung als Additiv konnten wiederum bessere Kapazitäten gegenüber dem Standardelektrolyten erreicht werden (US 8062796 B2) . Ein Versuch an Vollzellen wurde nicht durchgeführt. [22] Other phospholanes with oxidation level III have also been investigated as co-solvents and additives. The length and degree of fluorination of the alkyl group were varied and the ring was substituted by one or two alkyl chains, the length and degree of fluorination also being varied here. An approximately 30% decrease in the flammability compared to the standard electrolyte was shown, with an addition of 30% by weight of the phospholane. When a half cell was galvanostatically cycled at 0.001 V to 1.5 V, the cells which contained a phospholane as cosolvent showed a good charging and discharging profile. However, the capacities achieved are still significantly below that of the standard electrolyte. When used as an additive, better capacities than the standard electrolyte could again be achieved (US 8062796 B2). A test on full cells was not carried out.
[23] Es ist allerdings bekannt, dass sich Messergebnisse von Halbzellen nicht ohne Weiteres auf Vollzellen übertragen lassen (V. Sharova, A. Moretti, T. Diemant, A. Varzi, R. J. Behm, S. Passerini, J. Power Sources (2018), 375, 43-52). Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass Zellen bei der Verwendung von Entladeschlussspannung bis 4.2 V ein deutlich anderes Verhalten als bei der Verwendung von Entladeschlussspannung über 4.2 V (Hochvoltanwendungen) zeigen (J. Li, H. Liu, J. Xia, A. R. Cameron, M. Nie, G. A. Botton. J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. (2017), 164, A655-A665; J. Li, S. L. Glazier, K. Nelson, X. Ma, J. Harlow, J. Paulsen, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. (2018), 165, A3195-A3204) .
[24] Außerdem konnte gezeigt werden, dass, wenn EEP (5 Gew.-%) als Additiv zu einem Elektrolyt-Referenzsystem aus Ethylencarbonat : Diethylcarbonat : Trimethylphosphat (6:2:2) zugegeben wird, die Problematik der Phosphatreduktion auf der Anode unterbunden werden kann, durch die Ausbildung einer Schutzschicht auf der Anode, induziert durch EEP, und somit die Zyklisierung bei einer Ladeschlussspannung von 1,5 V vs . Li/Li+ verbessert werden kann (Ota, H.; Kominato, A. ; Chun, W.- J.; Yasukawa, E.; Kasuya, S., J. Power Sources 2003, 119[23] However, it is known that measurement results from half cells cannot easily be transferred to full cells (V. Sharova, A. Moretti, T. Diemant, A. Varzi, RJ Behm, S. Passerini, J. Power Sources (2018 ), 375, 43-52). It is also known from the prior art that cells show a significantly different behavior when using the final discharge voltage up to 4.2 V than when using the final discharge voltage above 4.2 V (high-voltage applications) (J. Li, H. Liu, J. Xia, AR Cameron, M. Nie, GA Botton. JR Dahn, J. Electrochem. Soc. (2017), 164, A655-A665; J. Li, SL Glazier, K. Nelson, X. Ma, J. Harlow, J. Paulsen , JR Dahn, J. Electrochem. Soc. (2018), 165, A3195-A3204). [24] It could also be shown that when EEP (5% by weight) is added as an additive to an electrolyte reference system made of ethylene carbonate: diethyl carbonate: trimethyl phosphate (6: 2: 2), the problem of phosphate reduction on the anode is eliminated can be formed by the formation of a protective layer on the anode, induced by EEP, and thus the cyclization at a final charge voltage of 1.5 V vs. Li / Li + can be improved (Ota, H .; Kominato, A.; Chun, W.- J .; Yasukawa, E .; Kasuya, S., J. Power Sources 2003, 119
(Supplement C) , 393-398). (Supplement C), 393-398).
[25] Außerdem kann EEP (bei der Zugabe von 1 Gew.-%) auch für[25] In addition, EEP (when adding 1% by weight) can also be used for
Hochvoltanwendungen eingesetzt werden. Hierbei wurde die Zelle für zehn Lade-/Entladezyklen bis 4,4 V vs . Li/Li bei 20°C zyklisiert, dann wurde die Zelle für 2 h bei 45°C gelagert, um anschließend bis 4,6 V vs . Li/Li+ zu laden und dann für 60 h zu halten. Dadurch konnte gezeigt werden, dass EEP eine CEI ausbildet und einen geringeren Innenwiderstand verglichen mit dem Standardelektrolyten aufweist (Tornheim, A. ; He, M. ; Su, C.-C.; Zhang, Z., J. Electrochem. Soc. 2017, 164 (1), A6366-High-voltage applications are used. Here, the cell for ten charge / discharge cycles up to 4.4 V vs. Li / Li cyclized at 20 ° C, then the cell was stored for 2 h at 45 ° C, then to 4.6 V vs. Li / Li + to charge and then hold for 60 h. This showed that EEP forms a CEI and has a lower internal resistance compared to standard electrolytes (Tornheim, A.; He, M.; Su, C.-C .; Zhang, Z., J. Electrochem. Soc. 2017 , 164 (1), A6366-
A6372) . Durch diese Tests kann jedoch nicht gezeigt werden, wie sich eine häufige Ladung und Entladung mit hohen Ladeschlussspannungen auf die Leistungsfähigkeit der Batterie auswirkt . A6372). However, these tests cannot show how frequent charging and discharging with high end-of-charge voltages affects the performance of the battery.
[26] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bisher bekannte Elektrolyte für Lithium-Sekundärbatterien weiter zu verbessern, insbesondere die Brennbarkeit zu verringern und/oder die Leistungsfähigkeit der Batterien auch bei Hochvoltanwendungen zu verbessern. The invention is therefore based on the object of further improving previously known electrolytes for lithium secondary batteries, in particular reducing the flammability and / or improving the performance of the batteries even in high-voltage applications.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
[27] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Elektrolyt, umfassend: wenigstens ein Lithiumsalz;
wenigstens ein erstes und ein zweites organisches Lösemittel, wobei das erste organische Lösemittel eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 90 (bei 40 °C) aufweist und das zweite organische Lösemittel einen Siedepunkt von unter 110 °C aufweist; und wenigstens ein Phosphit der Formel (I) According to the invention, this object is achieved by an electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least first and second organic solvents, the first organic solvent having a dielectric constant greater than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent having a boiling point below 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
wobei Ri eine n-Propoxygruppe, eine iso-Propoxygruppe, eine tert-Butoxygruppe , eine Ώ-Pentafluorpropoxygruppe, eine n- Trifluorpropoxygruppe, eine iso-Hexafluorpropoxygruppe oder eine tert-Nonafluorbutoxygruppe ist und R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus H, erner wherein Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group, a tert-butoxy group, a Ώ-pentafluoropropoxy group, an n-trifluoropropoxy group, an iso-hexafluoropropoxy group or a tert-nonafluorobutoxy group and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are independent are selected from each other from H, erner
Trifluormethylgruppe oder einer C2-C6-Alkylgruppe, welche mit einer Trifluormethylgruppe substituiert ist. Trifluoromethyl group or a C 2 -C 6 alkyl group which is substituted with a trifluoromethyl group.
[28] Unter einer n-Propoxygruppe wird die Gruppe H3C-CH2-CH2-0- verstanden, unter einer iso-Propoxygruppe die Gruppe [CH3]2-CH- 0-, unter einer tert-Butoxygruppe die Gruppe [CH3]3-C-0-, unter einer n-Pentafluorpropoxygruppe die Gruppe F3C-CF2-CH2-0- , unter einer n-Trifluorpropoxygruppe die Gruppe F3C-CH2-CH2-0- , unter einer iso-Hexafluoropropoxygruppe die Gruppe [CF3]2-CH-0- und unter einer tert-Nonafluorbutoxygruppe die Gruppe [CF3]3-C- 0- . [28] An n-propoxy group means the group H 3 C-CH 2 -CH 2 -0-, an iso-propoxy group means the group [CH 3 ] 2 -CH- 0-, a tert-butoxy group means the group [CH 3 ] 3 -C-0-, under an n-pentafluoropropoxy group the group F 3 C-CF 2 -CH 2 -0-, under an n-trifluoropropoxy group the group F 3 C-CH 2 -CH 2 -0- , under an iso-hexafluoropropoxy group the group [CF 3 ] 2 -CH-0- and under a tert-nonafluorobutoxy group the group [CF 3 ] 3 -C- 0-.
[29] Die erfindungsgemäßen Elektrolyte weisen eine deutlich reduzierte Entflammbarkeit auf. [29] The electrolytes according to the invention have a significantly reduced flammability.
[30] Dabei ist zum Erreichen einer reduzierten Entflammbarkeit eine geringere Menge an Phosphit-Additiv notwendig als von den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungen. Hierdurch kann eine Nicht-Brennbarkeit bei einem Additiv-Anteil von 15
Gew.-% erreicht werden, wohingegen für einen vergleichbaren Effekt im Stand der Technik ein Additiv-Anteil von wenigstens 30 Gew.-% notwendig ist (US 8062796 B2). To achieve a reduced flammability, a smaller amount of phosphite additive is necessary than that of the compounds known from the prior art. This can cause non-combustibility with an additive content of 15 % By weight are achieved, whereas an additive proportion of at least 30% by weight is necessary for a comparable effect in the prior art (US Pat. No. 8062796 B2).
[31] Die reduzierte Entflammbarkeit lässt sich insbesondere durch Substitution des Phospit-Rings mit Trifluormethylethylengruppen erreichen, wie beispielsweise in der Verbindung PFPOEPi-lCF3 realisiert. [31] The reduced flammability can be achieved in particular by substituting the phosphite ring with trifluoromethylethylene groups, as has been achieved, for example, in the compound PFPOEPi-ICF 3 .
[32] Im folgenden werden folgende Abkürzungen verwendet: The following abbreviations are used in the following:
[33] Eine Substanz gilt als brennbar, wenn sie eine Brennzeit von > 20 s/g aufweist. Bei einer Brennzeit zwischen 6 und 20 s/g spricht man von Flammhemmung, < 6 s/g von Nicht-[33] A substance is considered combustible if it has a burning time of> 20 s / g. With a burning time between 6 and 20 s / g one speaks of flame retardancy, <6 s / g of non-
Brennbarkeit . Flammability.
[34] Unter einem „Normalbereich" können Abschaltspannung bis 4.2 V verstanden werden und unter einem „Hochvoltbereich" Spannungen über 4.2 V, insbesondere eine Spannung von 4.5 V.
[35] Unter einem „verbesserten Zyklisierungsverhalten", „vorteilhaften Zyklisierungsverhalten" oder „positiven Zyklisierungsverhalten" wird ein vergleichsweise höherer Erhalt einer Kapazität einer Zelle bei einer gleichen Zahl von Lade- und Entladezyklen verstanden. [34] A "normal range" can be understood to mean a cut-off voltage of up to 4.2 V and a "high-voltage range" means voltages above 4.2 V, in particular a voltage of 4.5 V. [35] An “improved cyclization behavior”, “advantageous cyclization behavior” or “positive cyclization behavior” is understood to mean a comparatively higher preservation of a capacity of a cell with the same number of charge and discharge cycles.
[36] Weiterhin zeigen die erfindungsgemäßen Elektrolyte eine verbesserte Zyklisierbarkeit . Dies gilt insbesondere bei Verwendung von Additiven, in denen Rx eine aliphatische unsubstituierte Gruppe ist und bei Zyklisierungen über 4.2 V. Bislang war die Nutzung von Phosphiten mit den gezeigten Strukturen oder Dioxaphospholanen im Hochvoltbereich (über 4.2 V) noch nicht bekannt. [36] Furthermore, the electrolytes according to the invention show improved cyclability. This applies in particular to the use of additives in which R x is an aliphatic unsubstituted group and to cyclizations above 4.2 V. Until now, the use of phosphites with the structures shown or dioxaphospholanes in the high-voltage range (above 4.2 V) was not yet known.
[37] Es wurde außerdem gefunden, dass mittels unfluorierter Phosphite überraschend vorteilhafte Zyklisierungsergebnisse erzielt werden können. Bislang wurde im Stand der Technik versucht, die Zyklisierung mittels Fluorierung zu verbessern. [37] It was also found that surprisingly advantageous cyclization results can be achieved using unfluorinated phosphites. To date, attempts have been made in the prior art to improve the cyclization by means of fluorination.
[38] Da die Messungen in Vollzellen durchgeführt werden, kann so gezeigt werden, dass die erfindungsgemäßen Verbindungen sowohl auf der Kathode wie auch auf der Anode zu einem positiven Zyklisierungsverhalten beitragen können. [38] Since the measurements are carried out in full cells, it can be shown that the compounds according to the invention can contribute to a positive cyclization behavior both on the cathode and on the anode.
[39] Vorzugsweise ist Ri eine n-Propoxygruppe, eine iso- Propoxygruppe oder eine tert-Butoxygruppe . [39] Preferably, Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group or a tert-butoxy group.
[40] In einer bevorzugten Ausführungsform ist Ri eine tert- Butoxygruppe . [40] In a preferred embodiment, Ri is a tert-butoxy group.
[41] Vorzugsweise ist Ri eine n-Pentafluorpropoxygruppe . [41] Preferably Ri is an n-pentafluoropropoxy group.
[42] In einer bevorzugten Ausführungsform sind R2 eine Trifluormethylgruppe und R3, R4 und R5 H. [42] In a preferred embodiment, R2 is a trifluoromethyl group and R 3 , R 4 and R 5 H.
[43] In einer anderen Ausführungsform sind R2, R3, R4 und R5 H.
[44] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine Phosphit in einem Anteil von 0,1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel, enthalten. [43] In another embodiment, R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are H. [44] In a preferred embodiment, the at least one phosphite is present in a proportion of 0.1 to 15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
[45] Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Elektrolyts in einer Lithium-Sekundärbatterie bei einer Spannung größer 4,2 V, wobei der Elektrolyt folgendes umfasst: wenigstens ein Lithiumsalz; wenigstens ein erstes und ein zweites organisches Lösemittel, wobei das erste organische Lösemittel eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 90 (bei 40°C) aufweist und das zweite organische Lösemittel einen Siedepunkt von unter 110°C aufweist; und wenigstens ein Phosphit der Formel (I) [45] The invention further relates to the use of an electrolyte in a lithium secondary battery at a voltage greater than 4.2 V, the electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least a first and a second organic solvent, the first organic solvent having a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent having a boiling point of less than 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
wobei Ri eine vollständig oder teilweise halogensubstituierte, lineare oder verzweigte C2-C20- Alkylgruppe ist und R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus H oder einer unsubstituierten oder vollständig oder teilweise halogensubstituierten, linearen oder verzweigten Ci-C2o_ Alkylgruppe . wherein Ri is a fully or partially halogen-substituted, linear or branched C2-C20-alkyl group and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are selected independently of one another from H or an unsubstituted or fully or partially halogen-substituted, linear or branched Ci-C2o _ Alkyl group.
[46] Die Erfindung betrifft außerdem eine LithiumThe invention also relates to a lithium
Sekundärbatterie, umfassend eine Kathode; eine Anode; einen Separator; und
den Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Secondary battery comprising a cathode; an anode; a separator; and the electrolyte according to one of claims 1 to 7.
Vorzugsweise beträgt der Anteil des Phosphits im Elektrolyten 0,1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel. The proportion of phosphite in the electrolyte is preferably 0.1 to 15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
[47] Das wenigstens eine Phosphit ist bevorzugt in einem Anteil von 1 - 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel, enthalten. [47] The at least one phosphite is preferably present in a proportion of 1-30% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
[48] Vorzugsweise ist das Lithiumsalz ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithiumperchlorat (LiCICy) , Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) , Lithiumborfluorid (LiBF4) , Lithiumhexafluorarsenid (LiAsFe) , Lithiumtrifluormetasulfonat (LZCF3SO3) , Lithium-bis-trifluormethylsulfonylimid (LiN (CF3SO2) 2) , Lithium-bis (oxalato) borat (LiB [C2O4] 2) , Lithiumoxalyldifluorborat (LiBF2C204) , Lithiumnitrat (LiNCg) , Lithium-tri-perfluorethylperfluorphosphat (LiPF3 (CF2CF3) 3) , Lithium-bis-perfluorethylsulfonylimid (C4FioLiN04S2) , Lithium- bis (trifluormethansulfonyl ) imid (CF3SO2NLZSO2CF3) , Lithium- bis ( fluorsulfonyl ) imid (F2N04S2Li) , Lithium- Trifluormethansulfonimid (C2F6LiN04S2) und Mischungen derselben. [48] The lithium salt is preferably selected from the group consisting of lithium perchlorate (LiCICy), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsFe), lithium trifluorometasulfonate (LZCF 3 SO 3 ), lithium bis-tronifluoromethyl LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis (oxalato) borate (LiB [C 2 O 4 ] 2 ), lithium oxalyl difluoroborate (LiBF 2 C 2 0 4 ), lithium nitrate (LiNCg), lithium tri-perfluoroethyl perfluorophosphate (LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 ), lithium bis-perfluoroethylsulfonylimide (C 4 FioLiN0 4 S 2 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (CF 3 SO 2 NLZSO 2 CF 3 ), lithium bis (fluorosulfonyl) imide ( F 2 N0 4 S 2 Li), lithium trifluoromethanesulfonimide (C 2 F 6 LiN0 4 S 2 ) and mixtures thereof.
[49] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste organische Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ethylencarbonat, Polypropylencarbonat, Butylencarbonat , 2 , 3-Butylencarbonat , Isobutylencarbonat , Propoylencarbonat , g-Butyrolacton und Mischungen derselben. In a preferred embodiment of the invention, the first organic solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, polypropylene carbonate, butylene carbonate, 2, 3-butylene carbonate, isobutylene carbonate, propoylene carbonate, g-butyrolactone and mixtures thereof.
[50] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite organische Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Dimethylcarbonat , Ethylmethylcarbonat , Diethylcarbonat , Dipropylcarbonat , Dimethoxyethan, Diethoxyethan, aliphatischen Esterderivaten und Mischungen derselben.
[51] Vorzugsweise liegen das erste organische Lösungsmittel und das zweite organische Lösungsmittel in einem Verhältnis von 5:1 bis 1:5, weiter bevorzugt 2:1 bis 1:2, besonders bevorzugt 1 : 1 vor . [50] In a further preferred embodiment of the invention, the second organic solvent is selected from the group consisting of dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, aliphatic ester derivatives and mixtures thereof. [51] The first organic solvent and the second organic solvent are preferably present in a ratio of 5: 1 to 1: 5, more preferably 2: 1 to 1: 2, particularly preferably 1: 1.
[52] Die Erfindung betrifft weiterhin eine Lithium- Sekundärbatterie, umfassend eine Kathode; eine Anode; einen Separator; und den erfindungsgemäßen Elektrolyten. [52] The invention further relates to a lithium secondary battery comprising a cathode; an anode; a separator; and the electrolyte according to the invention.
Dabei wird der Begriff „Sekundärbatterie" im Zusammenhang dieser Erfindung so verstanden, dass er jeden wiederaufladbaren elektrischen Speicher umfasst. The term “secondary battery” in the context of this invention is understood to include any rechargeable electrical storage.
[53] Vorzugsweise besteht die Aktivmasse der Kathode aus einem Material, das ausgewählt ist aus Lithium-Mangan-Nickel-Oxiden, Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Mischoxiden des Typs LiMCy mit M = Mn, Co, Ni oder des Typs LiMPCy mit M = Ni, Mn, Co, und lithiumreichen Übergangsmetalloxiden des Typs xLiMn03-(l- x)LiM02 mit M = Ni, Mn, Co, und 0 < x < 1. Preferably, the active material of the cathode consists of a material which is selected from lithium-manganese-nickel oxides, lithium-nickel-manganese-cobalt mixed oxides of the LiMCy type with M = Mn, Co, Ni or of the LiMPCy type with M = Ni, Mn, Co, and lithium-rich transition metal oxides of the type xLiMn0 3 - (l- x) LiM0 2 with M = Ni, Mn, Co, and 0 <x <1.
[54] In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Lithium- Sekundärbatterie aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Lithiummetall, Graphit, Silicium und Alkali- oder Erdalkalimetallen. [54] In a preferred embodiment, the lithium secondary battery is made of a material selected from the group consisting of lithium metal, graphite, silicon and alkali or alkaline earth metals.
[55] In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil des Phosphits im organischen Elektrolyten 1 - 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Phosphit also als Additiv eingesetzt.
[56] In einer anderen Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil des Phosphits im organischen Elektrolyten 10 - 30 Gew.- %, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel. In diesem Fall dient das erfindungsgemäße Phosphit daher als Co-Lösemittel . [55] In one embodiment of the invention, the proportion of phosphite in the organic electrolyte is 1-5% by weight, based on the total weight of the organic solvents. In this case, the phosphite according to the invention is used as an additive. [56] In another embodiment of the invention, the proportion of phosphite in the organic electrolyte is 10-30% by weight, based on the total weight of the organic solvents. In this case, the phosphite according to the invention therefore serves as a co-solvent.
[57] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Phosphits der Formel (I), bei dem in einer Eintopfreaktion in einem ersten Schritt ein Phosphor ( 111 ) - halogenid, vorzugsweise Phosphor ( I I I ) -Chlorid, mit einem vicinalen Diol in Anwesenheit einer Base, vorzugsweise Triethylamin, umgesetzt wird, um ein 2-Halogen-l , 3- dioxaphospholan zu ergeben, und anschließend in einem zweiten Schritt eine Veresterung mit einem Alkohol in Anwesenheit einer Base, vorzugsweise Triethylamin, erfolgt, um ein Phosphit der Formel (I) zu ergeben. The invention further relates to a process for the preparation of a phosphite of the formula (I), in which in a one-pot reaction in a first step a phosphorus (111) halide, preferably phosphorus (III) chloride, with a vicinal diol in the presence a base, preferably triethylamine, is reacted to give a 2-halo-1,3-dioxaphospholane, and then in a second step esterification with an alcohol in the presence of a base, preferably triethylamine, takes place to give a phosphite of the formula ( I) to yield.
[58] Es konnte gezeigt werden, dass die vorgeschlagenen Phosphite, die erstmals erfolgreich in einer EintopfSynthese hergestellt werden konnten, vielseitig als Additive bzw. Co- Lösemittel für Elektrolyte von Lithium-Sekundärbatterien eingesetzt werden können. Hierbei bestimmt die richtige Auswahl der Konzentration des Phosphits im Elektrolyten die Anwendung . [58] It was shown that the proposed phosphites, which were successfully produced for the first time in a one-pot synthesis, can be used in a variety of ways as additives or cosolvents for electrolytes in lithium secondary batteries. The correct selection of the concentration of phosphite in the electrolyte determines the application.
[59] Bei einer Verwendung als Additiv (<5 Gew.-%) mit einer Ladeschlussspannung >4,4 V vs . Li/Li+ kommt es zur Ausbildung einer effektiven CEI auf der Kathode und die Zyklisierung kann deutlich verbessert werden. Somit kann die Langlebigkeit der Batterien um mindestens 100 Zyklen gegenüber dem Standardelektrolyten verbessert werden, da die Kapazitätsabnahme reduziert wird. [59] When used as an additive (<5% by weight) with a final charge voltage> 4.4 V vs. Li / Li + leads to the formation of an effective CEI on the cathode and the cyclization can be significantly improved. The longevity of the batteries can thus be improved by at least 100 cycles compared to the standard electrolyte, since the decrease in capacity is reduced.
[60] Das erfindungsgemäße Syntheseverfahren für die im erfindungsgemäßen Elektrolyten eingesetzten Phosphite geht aus von einem Phosphor ( I I I ) -halogenid (bevorzugt PCI3) und einem vicinalen Diol in Anwesenheit einer Base wie Pyridin oder
Triethylamin in THF als bevorzugtem Lösemittel. Das resultierende 2-halogenierte 1 , 3-Dioxaphsopholan wird in einem zweiten Schritt der EintopfSynthese mit einem Alkohol in Anwesenheit von Base, bevorzugt Triethylamin in THF, verestert . The synthesis process according to the invention for the phosphites used in the electrolyte according to the invention is based on a phosphorus (III) halide (preferably PCI 3) and a vicinal diol in the presence of a base such as pyridine or Triethylamine in THF as the preferred solvent. The resulting 2-halogenated 1,3-dioxaphsopholane is esterified in a second step of the one-pot synthesis with an alcohol in the presence of base, preferably triethylamine in THF.
[61] Des Weiteren kann die Batterie durch die Auswahl einer hohen Konzentration (10 - 15 Gew.-%) des Phosphits verbessert werden. Die Brennbarkeit des Elektrolyten kann hierbei komplett unterdrückt werden. Außerdem kann durch die Zugabe von dem Phosphit bei einer Ladeschlussspannung von 4,2 V vs . Li/Li+ die Zyklisierung deutlich gegenüber dem[61] Furthermore, the battery can be improved by selecting a high concentration (10-15% by weight) of the phosphite. The flammability of the electrolyte can be completely suppressed. In addition, the addition of the phosphite at a final charge voltage of 4.2 V vs. Li / Li + the cyclization clearly compared to that
Standardelektrolyten verbessert werden. Daraus resultiert eine langlebigere und sicherere Batterie. Standard electrolytes can be improved. This results in a longer-lasting and safer battery.
[62] In einer weiteren Ausführungsform ist das Phosphit (I) mit einer Trimethylsilylgruppe substituiert. Bei der Zugabe einer Trimethylsilyl-substituierten Verbindung lässt sich die Zyklisierung verbessern. Ohne durch eine Theorie beschränkt sein zu wollen, wird vermutet, dass die Trimethylsilylgruppe intermediär gebildetes Wasserstofffluorid abfängt und dadurch andernfalls auftretende Beschädigungen der Batterie vermeidet. [62] In a further embodiment, the phosphite (I) is substituted with a trimethylsilyl group. The cyclization can be improved by adding a trimethylsilyl-substituted compound. Without wishing to be limited by theory, it is assumed that the trimethylsilyl group intercepts hydrogen fluoride formed as an intermediate and thereby avoids damage to the battery which otherwise occurs.
[63] Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung von PFPOEPi-lCF3 in einem Elektrolyt bei 0.1 V bis zu 4.2 V. [63] The invention further relates to the use of PFPOEPi-lCF3 in an electrolyte at 0.1 V up to 4.2 V.
[64] Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Elektrolyts in einer Lithium-Sekundärbatterie bei einer Spannung von 4,2 V oder kleiner 4,2V, wobei der Elektrolyt folgendes umfasst: The invention also relates to the use of an electrolyte in a lithium secondary battery at a voltage of 4.2 V or less than 4.2 V, the electrolyte comprising:
wenigstens ein Lithiumsalz; wenigstens ein erstes und ein zweites organisches at least one lithium salt; at least a first and a second organic
Lösemittel, wobei das erste organische Lösemittel eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 90 (bei 40°C) aufweist und das zweite organische Lösemittel einen Solvents, wherein the first organic solvent has a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent one
Siedepunkt von unter 110°C aufweist; und
wenigstens ein Phosphit der Formel (I) Boiling point below 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
wobei Ri eine n-Pentafluorpropoxygruppe ist, R2 eine where Ri is an n-pentafluoropropoxy group, R 2 is a
Trifluormethylgruppe ist und R3, R4 und R5 H. Is trifluoromethyl group and R 3 , R 4 and R 5 are H.
[65] Durch den Zusatz der Verbindung (I) zum Elektrolyt kann ein vorteilhaftes Zyklisierungsverhalten ermöglicht werden. [65] By adding compound (I) to the electrolyte, an advantageous cyclization behavior can be made possible.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
[66] Weitere Vorteile ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung sowie den nachfolgenden Beispielen. Dabei zeigt [66] Further advantages result from the attached drawing and the following examples. It shows
Fig. 1 ein Diagramm mit den Ergebnissen eines SET (Self- Extinguishing Time) -Tests eines Elektrolyten mit IM LiPF6 in Ethylencarbonat und Ethylmethylcarbonat (1:1). Hierbei wurden 500 mΐ des zu untersuchenden Elektrolyten auf einen Glasfaserfilter GF/C (Whatman Separator) (0 25 mm) aufgetragen. Dieser wurde im Messgerät platziert und dann die „Self-Extinguishing Time" mit Hilfe eines UV-Vis-Detektors bestimmt . Fig. 1 is a diagram with the results of a SET (Self-Extinguishing Time) test of an electrolyte with IM LiPF 6 in ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (1: 1). Here 500 mΐ of the electrolyte to be examined were applied to a glass fiber filter GF / C (Whatman Separator) (0 25 mm). This was placed in the measuring device and then the “self-extinguishing time” was determined with the aid of a UV-Vis detector.
Beispiele Examples
Herstellungsbeispiel Preparation example
[67] Herstellung von 2- (2, 2, 3, 3, 3-Pentafluorpropoxy) -4 [67] Preparation of 2- (2, 2, 3, 3, 3-pentafluoropropoxy) -4
(trifluormethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholan (Schema 1)
(trifluoromethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholane (Scheme 1)
Schema 1 Scheme 1
Alle Reaktionsschritte verlaufen unter Argon-Atmosphäre in trockenen Lösemitteln. All reaction steps take place in an argon atmosphere in dry solvents.
15,0 g (0,12 mol, 1 eq.) 3, 3, 3-Trifluorpropan-1 , 2-diol (X.J. Wang et al . / Electrochemistry Communications 12 (2010) 386- 389) wird mit NEt3 (23,3 g, 0,24 mol, 2 eq.) umgesetzt und bei 0°C zur Lösung von PCI3 (16,4 g, 0,12 mol, 1 eq.) in CH2Cl2/Et20 (10:1) (250 ml) langsam zugetropft. Das Eisbad wurde entfernt und das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur gebracht. Der Reaktionsverlauf wurde mittels 31P-NMR verfolgt. Nach 48 h war die Umsetzung komplett, wobei das Signal von 2-Chlor-4- (trifluormethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholan bei 172,78 ppm (ca. 70%) beobachtet wurde. Das Produkt wurde mit einer Umkehrfritte unter Argon filtriert, der Rückstand mit Ether nachgewaschen und das Filtrat ohne Reinigung weiter umgesetzt. 18,0 g (0,12 mol, 1 eq.) 2 , 2 , 3 , 3 , 3-Pentafluorpropanol mit NEt3 (12,12 g, 0,12 mol, 1 eq.) wurden zum Filtrat zugetropft (Raumtemperatur, Ar) . Der Reaktionsverlauf wurde mittels 31p- NMR verfolgt. Nach 24 h war die Umsetzung komplett. Es wurden zwei Diastereomere von 2- (2, 2, 3, 3, 3-pentafluorpropoxy) -4- (trifluormethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholan und ca. 30% Nebenprodukte beobachtet. Die Reaktionslösung wurde mit einer Umkehrfritte unter Argon filtriert, der Rückstand mit Ether nachgewaschen, das Lösungsmittel abgezogen und der Rückstand destilliert (52 mbar) .
Das Diastereomerengemisch von 2- (2, 2, 3, 3 , 3-Pentafluorpropoxy) - 4- (trifluormethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholan (Schema 2) ist eine farblose viskose Flüssigkeit, Sdp. 44°C (52 mbar) . Ausbeute: 5,3 g, 0,016 mol = 14% 15.0 g (0.12 mol, 1 eq.) 3, 3, 3-trifluoropropane-1,2-diol (XJ Wang et al. / Electrochemistry Communications 12 (2010) 386-389) is combined with NEt 3 (23 , 3 g, 0.24 mol, 2 eq.) And at 0 ° C. to dissolve PCI3 (16.4 g, 0.12 mol, 1 eq.) In CH2Cl2 / Et20 (10: 1) (250 ml ) slowly added dropwise. The ice bath was removed and the reaction mixture brought to room temperature. The course of the reaction was monitored by 31 P-NMR. The reaction was complete after 48 h, the signal from 2-chloro-4- (trifluoromethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholane being observed at 172.78 ppm (approx. 70%). The product was filtered with a reverse frit under argon, the residue was washed with ether and the filtrate was reacted further without purification. 18.0 g (0.12 mol, 1 eq.) 2, 2, 3, 3, 3-pentafluoropropanol with NEt 3 (12.12 g, 0.12 mol, 1 eq.) Were added dropwise to the filtrate (room temperature, Ar). The course of the reaction was monitored by means of 31 p-NMR. The implementation was complete after 24 hours. Two diastereomers of 2- (2, 2, 3, 3, 3-pentafluoropropoxy) -4- (trifluoromethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholane and approx. 30% by-products were observed. The reaction solution was filtered with a reverse frit under argon, the residue was washed with ether, the solvent was stripped off and the residue was distilled (52 mbar). The diastereomer mixture of 2- (2, 2, 3, 3, 3-pentafluoropropoxy) - 4- (trifluoromethyl) -1, 3, 2-dioxaphospholane (Scheme 2) is a colorless viscous liquid, b.p. 44 ° C (52 mbar ). Yield: 5.3 g, 0.016 mol = 14%
OCH2CF2CF3 OCH2CF2CF3 OCH 2 CF 2 CF 3 OCH 2 CF 2 CF 3
0A0 0 A 0
F,Cy F,Cy F, Cy F, Cy
Schema 2 Scheme 2
1H-NMR (400 MHz, CDC13) : d 4.79 - 4.69 (m, 1H) , 4.54 - 4.45 (m, 1 H-NMR (400 MHz, CDC1 3 ): d 4.79 - 4.69 (m, 1H), 4.54 - 4.45 (m,
1H) , 4.41 - 4.34 (m, 1H) , 4.33 - 4.15 (m, 5H) . 1H), 4.41 - 4.34 (m, 1H), 4.33 - 4.15 (m, 5H).
31P-NMR (162 MHz, CDC13) : d 145.43 (t, J = 7.2 Hz), 144.06 (t, J = 6.7 Hz) . 31 P NMR (162 MHz, CDC1 3 ): d 145.43 (t, J = 7.2 Hz), 144.06 (t, J = 6.7 Hz).
19F-NMR (376 MHz, CDC13) : d -76.22 (s), -79.31 (s), 19 F-NMR (376 MHz, CDC1 3 ): d -76.22 (s), -79.31 (s),
83.33 (s), -83.43 (s) , -83.50 (s) , -124.28 (s) , -124.42 (t, 83.33 (s), -83.43 (s), -83.50 (s), -124.28 (s), -124.42 (t,
J = 11.9 Hz), -126.03 (t, J = 14.6 Hz). J = 11.9 Hz), -126.03 (t, J = 14.6 Hz).
Anwendungsbeispiele applications
[68] Zur Untersuchung des Verhaltens des erfindungsgemäßen Elektrolyten für Hochvoltanwendungen wurde ein Elektrolyt mit IM LiPF6 in Ethylencarbonat (EC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (1:1) in einem Fall ohne Zusatz von Phosphit, im anderen Falle mit Zusatz der angegebenen Menge Phosphit (Gew.-%) in Graphit/NCMlll-Zellen bei einer jeweils angegebenen Spannung vs. Li/Li+ getestet. Als Separator wurde eine mikroporöse keramikbeschichtete Folie (unter dem Markennamen Separion von der Firma Evonik Industries AG erhältlich) eingesetzt. Die Zellen wurden mit einer C-Rate von 0. IC und einer anschließenden C-Rate von 0.5C für jeweils 3 Zyklen bei der im Folgenden beschriebenen Spannung formiert. Die C-Rate beschreibt den Lade- (oder Entlade- ) Strom einer Batterie,
bezogen auf die Kapazität C. In den Formierungszyklen ist jeweils ein konstanter Spannungsschritt von 3h integriert. Anschließend wurden die Zellen mit einer C-Rate von IC zyklisiert. Die Ergebnisse von Messungen bei 4.5 V ergeben sich aus Tabelle 1. To study the behavior of the electrolyte according to the invention for high-voltage applications, an electrolyte with IM LiPF 6 in ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (1: 1) was used in one case without the addition of phosphite, in the other case with the addition of the stated amount Phosphite (% by weight) in graphite / NCMlll cells at a given voltage vs. Li / Li + tested. A microporous ceramic-coated film (available under the brand name Separion from Evonik Industries AG) was used as the separator. The cells were formed with a C rate of 0. IC and a subsequent C rate of 0.5C for 3 cycles each at the voltage described below. The C rate describes the charge (or discharge) current of a battery, based on the capacity C. A constant voltage step of 3 hours is integrated in each of the formation cycles. The cells were then cycled at a C rate of IC. The results of measurements at 4.5 V are shown in Table 1.
[69] In den folgenden Tabellen gibt die Kopfzeile „Elektrolyt- Zusatz" den Prozentsatz eines Phosphits in Gew.-% an, welches als Zusatz zum verwendeten Elektrolyt zugegeben wurde, „80 % SOH" die 80 % Kapazitätsretention des 130. Zyklus in Prozent an (In Klammern steht der jeweilige erreichte Zyklus), „Effizienz [%]" gibt die Erstzyklus-Effi zienz in Prozent an und „Retention [%]" gibt die Kapazitätsretention in Prozent nach 100 Zyklen an. [69] In the following tables, the "Electrolyte additive" header indicates the percentage of a phosphite in% by weight that was added as an additive to the electrolyte used, "80% SOH" the 80% capacity retention of the 130th cycle in percent on (the respective cycle achieved is in brackets), "Efficiency [%]" indicates the first cycle efficiency in percent and "Retention [%]" indicates the capacity retention in percent after 100 cycles.
Tabelle 1 Table 1
[70] Weitere Messungen wurden bei 4.2 V durchgeführt, diese sind in Tabelle 2 aufgeführt. [70] Further measurements were carried out at 4.2 V, which are listed in Table 2.
Tabelle 2 Table 2
[71] Um den Einfluss des Phosphits auf die Brennbarkeit des Elektrolyten zu testen, wurde an einem erfindungsgemäßen Elektrolyten mit IM LiPF6 in EC:EMC (1:1) ein SET(Self- Extinguishing Time) -Test durchgeführt (Fig.l). Das Volumen des getesteten Elektrolyten betrug 500 mΐ . Als Detektor wurde UV- VIS verwendet. [71] In order to test the influence of phosphite on the flammability of the electrolyte, a SET (Self-Extinguishing Time) test was carried out on an electrolyte according to the invention with IM LiPF 6 in EC: EMC (1: 1) (FIG. 1) , The volume of the tested electrolyte was 500 mΐ. UV-VIS was used as the detector.
[72] In Tabelle 3 sind in den Zeilen zwei bis fünf Zeiten (in[72] Table 3 shows two to five times (in
Sekunden) angegeben, welche mittels des SET-Tests ermittelt wurden. Die Messung beziehen sich auf eine 1M-Mischung LiPF6 EC:EMC (1:1) mit dem in der Kopfzeile der Tabelle angegebenen Prozentsatz (Gew.-%) der in der linken Zeile angegebenen Verbindung. Der Anteil des angegebenen Phosphits reichte von 0 Gew.-% bis 15 Gew.-%. Für Felder mit einem wurde keineSeconds) which were determined using the SET test. The measurements relate to a 1M mixture of LiPF 6 EC: EMC (1: 1) with the percentage (% by weight) of the compound indicated in the left line in the header of the table. The proportion of the specified phosphite ranged from 0% by weight to 15% by weight. For fields with one, none
Messung durchgeführt. Measurement carried out.
Tabelle 3 Table 3
[73] Eine deutliche Abnahme der Brennbarkeit ist bereits ab einem Phosphitgehalt von 10 Gew.-% zu verzeichnen. Bei einem Gehalt von 15 Gew.-% Phosphit konnte der Elektrolyt je nach zugesetztem Phosphit als flammhemmend bis nicht-brennbar eingestuft werden. [73] A significant decrease in the flammability can already be seen from a phosphite content of 10% by weight. With a phosphite content of 15% by weight, depending on the phosphite added, the electrolyte could be classified as flame-retardant to non-combustible.
[74] Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
[74] The features of the invention disclosed in the above description, in the claims and in the drawing can be essential both individually and in any combination for the implementation of the invention in its various embodiments.
Claims
1. Elektrolyt, umfassend: wenigstens ein Lithiumsalz; wenigstens ein erstes und ein zweites organisches 1. An electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least a first and a second organic
Lösemittel, wobei das erste organische Lösemittel eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 90 (bei 40°C) aufweist und das zweite organische Lösemittel einen Solvents, wherein the first organic solvent has a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent one
Siedepunkt von unter 110°C aufweist; und wenigstens ein Phosphit der Formel (I) Boiling point below 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
wobei Ri eine n-Propoxygruppe, eine iso-Propoxygruppe, eine tert-Butoxygruppe , eine n-Pentafluorpropoxygruppe, eine n- Trifluorpropoxygruppe, eine iso-Hexafluoropropoxygruppe oder eine tert-Nonafluorbutoxygruppe ist und R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus H, einer wherein Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group, a tert-butoxy group, an n-pentafluoropropoxy group, an n-trifluoropropoxy group, an iso-hexafluoropropoxy group or a tert-nonafluorobutoxy group and R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are independent are selected from each other from H, one
Trifluormethylgruppe oder einer C2-C6-Alkylgruppe, welche mit einer Trifluormethylgruppe substituiert ist. Trifluoromethyl group or a C2-C6 alkyl group which is substituted with a trifluoromethyl group.
2. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ri eine n-Propoxygruppe, eine iso-Propoxygruppe oder eine tert- Butoxygruppe ist. 2. Electrolyte according to claim 1, characterized in that Ri is an n-propoxy group, an iso-propoxy group or a tert-butoxy group.
3. Elektrolyt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ri eine tert-Butoxygruppe ist. 3. Electrolyte according to claim 2, characterized in that Ri is a tert-butoxy group.
4. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ri eine n-Pentafluorpropoxygruppe ist. 4. Electrolyte according to claim 1, characterized in that Ri is an n-pentafluoropropoxy group.
5. Elektrolyt nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass R2 eine Trifluormethylgruppe ist und R3,5. Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that R 2 is a trifluoromethyl group and R 3 ,
R4 und R5 H sind.
R 4 and R5 are H.
6. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass R2, R3, R4 und R5 H sind. 6. Electrolyte according to one of claims 1 to 4, characterized in that R 2 , R 3 , R4 and R5 are H.
7. Elektrolyt nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Phosphit in einem Anteil von 0,1 - 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel, enthalten ist. 7. Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one phosphite is contained in a proportion of 0.1-15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
8. Verwendung eines Elektrolyts in einer Lithium- Sekundärbatterie bei einer Spannung größer 4,2 V, wobei der Elektrolyt folgendes umfasst: wenigstens ein Lithiumsalz; wenigstens ein erstes und ein zweites organisches 8. Use of an electrolyte in a lithium secondary battery at a voltage greater than 4.2 V, the electrolyte comprising: at least one lithium salt; at least a first and a second organic
Lösemittel, wobei das erste organische Lösemittel eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 90 (bei 40°C) aufweist und das zweite organische Lösemittel einen Siedepunkt von unter 110°C aufweist; und wenigstens ein Phosphit der Formel (I) Solvents, wherein the first organic solvent has a dielectric constant of more than 90 (at 40 ° C) and the second organic solvent has a boiling point of less than 110 ° C; and at least one phosphite of the formula (I)
wobei Ri eine vollständig oder teilweise halogensubstituierte, lineare oder verzweigte C2-C2o_Alkylgruppe ist und R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus H oder einer unsubstituierten oder vollständig oder teilweise wherein Ri is a fully or partially halogen-substituted, linear or branched C2-C2o _ alkyl group and R2, R3, R4 and R5 are independently selected from H or an unsubstituted or completely or partially
halogensubstituierten, linearen oder verzweigten Ci-C2o_ halogen-substituted, linear or branched Ci-C2o _
Alkylgruppe . Alkyl group.
9. Lithium-Sekundärbatterie, umfassend eine Kathode; eine Anode;
einen Separator; und den Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 9. lithium secondary battery comprising a cathode; an anode; a separator; and the electrolyte according to one of claims 1 to 7.
10. Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 9, dadurch 10. Lithium secondary battery according to claim 9, characterized
gekennzeichnet, dass der Anteil des Phosphits im Elektrolyten 0,1 - 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Lösemittel, beträgt.
characterized in that the proportion of phosphite in the electrolyte is 0.1-15% by weight, based on the total weight of the organic solvents.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201980037833.6A CN112470311A (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte with phosphite as additive or cosolvent, lithium secondary battery containing electrolyte and method for preparing phosphite |
EP19752644.5A EP3818579B1 (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte comprising phosphite as an additive or co-solvent, lithium secondary battery comprising the electrolyte, and method of manufacturing said phosphite |
JP2020564631A JP7453158B2 (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte with phosphite as an additive or auxiliary solvent, lithium secondary battery with this electrolyte, and method for producing phosphite |
US17/257,857 US11901512B2 (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte comprising a phosphite as an additive or co-solvent, lithium rechargeable battery comprising said electrolyte, and method for producing the phosphite |
PL19752644.5T PL3818579T3 (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte comprising phosphite as an additive or co-solvent, lithium secondary battery comprising the electrolyte, and method of manufacturing said phosphite |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018116475.0 | 2018-07-06 | ||
DE102018116475.0A DE102018116475B4 (en) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | Electrolyte comprising at least one lithium salt and lithium secondary battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2020007425A1 true WO2020007425A1 (en) | 2020-01-09 |
Family
ID=67614409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/DE2019/200071 WO2020007425A1 (en) | 2018-07-06 | 2019-07-05 | Electrolyte comprising a phospite as an additive or co-solvent, lithium rechargeable battery comprising said electrolyte, and method for producing the phosphite |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11901512B2 (en) |
EP (1) | EP3818579B1 (en) |
JP (1) | JP7453158B2 (en) |
CN (1) | CN112470311A (en) |
DE (1) | DE102018116475B4 (en) |
HU (1) | HUE059929T2 (en) |
PL (1) | PL3818579T3 (en) |
WO (1) | WO2020007425A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021261976A1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-12-30 | 솔브레인 주식회사 | Electrolyte additive, battery electrolyte comprising same, and secondary battery comprising same |
JP2023525818A (en) * | 2020-06-15 | 2023-06-19 | 三星エスディアイ株式会社 | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same |
EP4175002A4 (en) * | 2020-06-26 | 2024-03-13 | Soulbrain Co., Ltd. | Electrolyte additive, battery electrolyte comprising same, and secondary battery comprising same |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102018116475B4 (en) * | 2018-07-06 | 2020-11-05 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Electrolyte comprising at least one lithium salt and lithium secondary battery |
CN110563764A (en) * | 2019-09-10 | 2019-12-13 | 恒大新能源科技集团有限公司 | electrolyte flame-retardant additive and preparation method and application thereof |
KR20230060368A (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | 솔브레인 주식회사 | Preparing method for cyclic phosphine compound |
CA3212114A1 (en) | 2021-11-12 | 2023-05-19 | Lg Energy Solution, Ltd. | Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery, and lithium secondary battery comprising same |
WO2023085733A1 (en) | 2021-11-12 | 2023-05-19 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Non-aqueous electrolyte solution for lithium secondary battery, and lithium secondary battery comprising same |
WO2024072043A1 (en) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | Lithium secondary battery |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997044842A1 (en) | 1996-05-24 | 1997-11-27 | Sri International | Nonflammable/self-extinguishing electrolytes for batteries |
WO2003081620A1 (en) * | 2002-03-21 | 2003-10-02 | Epcos Ag | Electrolyte solution and use thereof |
US20070048622A1 (en) * | 2005-08-24 | 2007-03-01 | Jae-Gu Yoon | Organic electrolytic solution and lithium battery using the same |
DE102015225697A1 (en) * | 2015-07-16 | 2017-01-19 | Hyundai Motor Company | Flame-resistant electrolyte for rechargeable lithium secondary batteries and rechargeable lithium secondary battery including them |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5471333B2 (en) * | 2009-11-16 | 2014-04-16 | 三菱化学株式会社 | Non-aqueous electrolyte and non-aqueous electrolyte battery using the same |
KR20140093976A (en) * | 2011-02-10 | 2014-07-29 | 미쓰비시 가가꾸 가부시키가이샤 | Non-aqueous electrolyte solution and non-aqueous electrolyte secondary battery employing the same |
DE102012101670A1 (en) * | 2012-02-29 | 2013-08-29 | Jacobs University Bremen Ggmbh | Conducting salt for lithium-based energy storage |
DE102012105377B4 (en) * | 2012-06-20 | 2018-11-15 | Jacobs University Bremen Ggmbh | 1,2,4-THIADIAZINAN-3,5-DION-1,1-DIOXIDE DERIVATIVES, THEIR PREPARATION AND USE |
DE102014012926B3 (en) * | 2014-09-05 | 2015-06-11 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Solid state electrolytes for Li batteries and method of making same |
DE102018116475B4 (en) * | 2018-07-06 | 2020-11-05 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Electrolyte comprising at least one lithium salt and lithium secondary battery |
-
2018
- 2018-07-06 DE DE102018116475.0A patent/DE102018116475B4/en active Active
-
2019
- 2019-07-05 PL PL19752644.5T patent/PL3818579T3/en unknown
- 2019-07-05 EP EP19752644.5A patent/EP3818579B1/en active Active
- 2019-07-05 US US17/257,857 patent/US11901512B2/en active Active
- 2019-07-05 CN CN201980037833.6A patent/CN112470311A/en active Pending
- 2019-07-05 JP JP2020564631A patent/JP7453158B2/en active Active
- 2019-07-05 WO PCT/DE2019/200071 patent/WO2020007425A1/en unknown
- 2019-07-05 HU HUE19752644A patent/HUE059929T2/en unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997044842A1 (en) | 1996-05-24 | 1997-11-27 | Sri International | Nonflammable/self-extinguishing electrolytes for batteries |
WO2003081620A1 (en) * | 2002-03-21 | 2003-10-02 | Epcos Ag | Electrolyte solution and use thereof |
US20070048622A1 (en) * | 2005-08-24 | 2007-03-01 | Jae-Gu Yoon | Organic electrolytic solution and lithium battery using the same |
US8062796B2 (en) | 2005-08-24 | 2011-11-22 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Organic electrolytic solution and lithium battery using the same |
DE102015225697A1 (en) * | 2015-07-16 | 2017-01-19 | Hyundai Motor Company | Flame-resistant electrolyte for rechargeable lithium secondary batteries and rechargeable lithium secondary battery including them |
Non-Patent Citations (18)
Title |
---|
DONG, Y.YOUNG, B. T.ZHANG, Y.YOON, T.HESKETT, D. R.HU, Y.LUCHT, B. L., ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, vol. 9, no. 24, 2017, pages 20467 - 20475 |
GAO, D.XU, J. B.LIN, M.XU, Q.MA, C. F.XIANG, H. F., RSC ADV., vol. 5, no. 23, 2015, pages 17566 - 17571 |
IMHOLT, L.RÖSER, S.BÖRNER, M.STREIPERT, B.RAD, B. R.WINTER, M.CEKIC-LASKOVIC, I., ELECTROCHIM. ACTA, vol. 246, no. C, 2017, pages 1042 - 1051 |
J. LIH. LIUJ. XIAA. R. CAMERONM. NIEG. A. BOTTONJ. R. DAHN, J. ELECTROCHEM. SOC., vol. 164, no. 1, 2017, pages A6366 - A6372 |
MURMANN, N. VON ASPERNP. JANSSENN. KALINOVICHM. SHEVCHUKG.-V. RÖSCHENTHALERM. WINTERI. CEKIC-LASKOVIC, J. ELECTROCHEM. SOC., vol. 165, 2018, pages A3195 - A3204 |
MURMANN, P.MÖNNIGHOFF, X.VON ASPERN, N.JANSSEN, P.KALINOVICH, N.SHEVCHUK, M.KAZAKOVA, 0.RÖSCHENTHALER, G.-H.CEKIC-LASKOVIC, I.WINT, J. ELECTROCHEM. SOC., vol. 163, no. 5, 2016, pages A715 - A757 |
OTA, H.KOMINATO, A.CHUN, W.-J.YASUKAWA, E.KASUYA, S., J. POWER SOURCES, vol. 119, no. C, 2003, pages 393 - 398 |
RONG, H.XU, M.ZHU, Y.XIE, B.LIN, H.LIAO, Y.XING, L.LI, W., J. POWER SOURCES, vol. 332, no. C, 2016, pages 312 - 321 |
TAKEDA, S.MORIMURA, W.LIU, Y.-H.SAKAI, T.SAITO, Y., RAPID COMMUN. MASS SPECTROM., vol. 30, no. 15, 2016, pages 1754 - 1762 |
V. SHAROVAA. MORETTIT. DIEMANTA. VARZIR. J. BEHMS. PASSERINI, J. POWER SOURCES, vol. 375, 2018, pages 43 - 52 |
VON ASPERN, N.RÖSER, S.REZAEI RAD, B.MURMANN, P.STREIPERT, B.MÖNNIGHOFF, X.TILLMANN, S. D.SHEVCHUK, M.STUBBMANN-KAZAKOVA, 0.RÖSCHE, J. FLUOR. CHEM., vol. 198, no. C, 2017, pages 24 - 33 |
WAGNER, R.KORTH, M.STREIPERT, B.KASNATSCHEEW, J.GALLUS, D. R.BROX, S.AMERELLER, M.CEKIC-LASKOVIC, I.WINTER, M., ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, vol. 8, no. 45, 2016, pages 30871 - 30878 |
WANG, L.MA, Y.LI, Q.ZHOU, Z.CHENG, X.ZUO, P.DU, C.GAO, Y.YIN, G., J. POWER SOURCES, vol. 359, no. C, 2017, pages 391 - 399 |
WEBER, W.KRAFT, V.GRÜTZKE, M.WAGNER, R.WINTER, M.NOWAK, S., J. CHROMATOGR. A, vol. 1394, no. C, 2015, pages 128 - 136 |
X.J. WANG ET AL., ELECTROCHEMISTRY COMMUNICATIONS, vol. 12, 2010, pages 386 - 389 |
XIA, L.XIA, Y.LIU, Z., J. POWER SOURCES, vol. 278, no. C, 2015, pages 190 - 196 |
XU, K., CHEM. REV., vol. 104, no. 10, 2004, pages 4303 - 4418 |
XU, K., CHEM. REV., vol. 114, no. 23, 2014, pages 11503 - 11618 |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023525818A (en) * | 2020-06-15 | 2023-06-19 | 三星エスディアイ株式会社 | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same |
JP7499356B2 (en) | 2020-06-15 | 2024-06-13 | 三星エスディアイ株式会社 | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing same |
WO2021261976A1 (en) * | 2020-06-26 | 2021-12-30 | 솔브레인 주식회사 | Electrolyte additive, battery electrolyte comprising same, and secondary battery comprising same |
EP4175002A4 (en) * | 2020-06-26 | 2024-03-13 | Soulbrain Co., Ltd. | Electrolyte additive, battery electrolyte comprising same, and secondary battery comprising same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021528806A (en) | 2021-10-21 |
EP3818579B1 (en) | 2022-07-06 |
CN112470311A (en) | 2021-03-09 |
JP7453158B2 (en) | 2024-03-19 |
US11901512B2 (en) | 2024-02-13 |
EP3818579A1 (en) | 2021-05-12 |
HUE059929T2 (en) | 2023-01-28 |
DE102018116475A1 (en) | 2020-01-09 |
US20210273263A1 (en) | 2021-09-02 |
PL3818579T3 (en) | 2023-01-09 |
DE102018116475B4 (en) | 2020-11-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3818579B1 (en) | Electrolyte comprising phosphite as an additive or co-solvent, lithium secondary battery comprising the electrolyte, and method of manufacturing said phosphite | |
DE102013210631A1 (en) | New electrolyte composition for high energy anodes | |
EP2907189B1 (en) | Additives for galvanic cells | |
EP2737568B1 (en) | Lithium-2-methoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate and use thereof as conductive salt in lithium-based energy accumulators | |
DE112012004415T5 (en) | Non-aqueous organic electrolyte, lithium ion secondary battery containing nonaqueous organic electrolytes, production method of lithium ion secondary battery and communication terminal | |
DE102015225697A1 (en) | Flame-resistant electrolyte for rechargeable lithium secondary batteries and rechargeable lithium secondary battery including them | |
WO2018149823A1 (en) | Electrolyte-additive for lithium-ion battery systems | |
EP2740178B1 (en) | Electrolyte for lithium-based energy stores | |
DE10139409A1 (en) | Polymer electrolytes and their use in galvanic cells | |
WO2016071205A1 (en) | Electrolyte for lithium based energy accumulators | |
EP2820711B1 (en) | Conducting salt for lithium-based energy storage device | |
WO2018229109A1 (en) | Electrolyte for lithium ion batteries | |
DE102012105377B4 (en) | 1,2,4-THIADIAZINAN-3,5-DION-1,1-DIOXIDE DERIVATIVES, THEIR PREPARATION AND USE | |
EP3131152A1 (en) | Flame retardant battery electrolytes containing phosphoric acid esters | |
WO2012084066A1 (en) | Electrolytes comprising propylene carbonate for batteries and accumulators | |
WO2008151902A1 (en) | Additives for lithium ion accumulators | |
DE102006055770A1 (en) | Electrolyte with lithium bis(oxalato)borate, dissolved in solvent from carbonate or ester and at least an additive, useful e.g. in electro-chemical cells, preferably in lithium cells, lithium ion cells and lithium ion polymer cells | |
DE102011055028A1 (en) | Electrolyte additive for lithium-based energy storage | |
DE102019101343A1 (en) | Electrolyte additive for lithium-ion batteries | |
DE102018105613A1 (en) | Electrolyte additive for lithium-ion batteries | |
EP2789040B1 (en) | Electrochemical cells and their use | |
DE102016104210A1 (en) | Use of trialkylsiloxy-based metal complexes as an additive in lithium-ion batteries | |
EP4104238A1 (en) | Imidazolinylide compound for use as a shut-down additive for lithium ion batteries and electrolyte and battery | |
DE102015201077A1 (en) | Electrolyte for lithium-based energy storage | |
DE10055812A1 (en) | Mixture used in electrolytes, primary batteries, secondary batteries, capacitors, super capacitors and galvanic cells, contains a fluoroalkylphosphate salt and a polymer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19752644 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2020564631 Country of ref document: JP Kind code of ref document: A |